Po opuszczeniu komór spalania silnika spaliny odprowadzane są do otoczenia przez układ wydechowy, którego ostatnim elementem jest rura wydechowa.

W trakcie spalania mieszanki paliwowo-powietrznej w silnikach spalinowych pojazdów samochodowych wytwarzana jest energia służąca do napędu. Jej część pochłaniana jest w trakcie odprowadzania spalin z cylindrów silnika i obejmuje:
- energię cieplną,
- energię nadciśnienia niezbędnego do pokonania oporów w trakcie przepływu przez układ wydechowy,
- energię kinetyczną przepływu ze znaczną prędkością,
- energię drgań spowodowanych przepływem przez układ wydechowy.

Produktem spalania paliwa w silniku są spaliny będące mieszaniną różnych gazów i cząstek mających w większości składników własności toksyczne. Po opuszczeniu komór spalania silnika spaliny odprowadzane są do otoczenia przez układ wydechowy, którego ostatnim elementem jest rura wydechowa, umieszczona zwykle w samochodach osobowych w tylnej części pojazdu po lewej stronie.
Najważniejszymi zadaniami układu wydechowego są:
- odprowadzanie spalin do takiego miejsca, w którym mogą być wypuszczone do atmosfery w sposób najmniej uciążliwy dla kierowcy i pasażerów,
- redukowanie hałasu powstającego przy odprowadzaniu spalin,
- oczyszczanie spalin do postaci, w której zawartość składników toksycznych jest dopuszczana przepisami prawa,
- umożliwianie najbardziej sprawnej pracy silnika w całym zakresie obciążeń,
- zapewnienie minimalnych oporów przepływu spalin, umożliwiających osiąganie maksymalnej mocy silnika,
- zagwarantowanie możliwie wysokiej temperatury spalin poprzez minimalne promieniowanie cieplne.

Poza wymienionymi dwoma pierwszymi zadaniami układów wydechowych, które obowiązywały od samego początku tworzenia konstrukcji pojazdów, pozostałe pojawiały się stopniowo w miarę rozwoju techniki motoryzacyjnej i wzrostu osiągów silnika oraz wprowadzania coraz bardziej zaostrzających się przepisów w zakresie ochrony środowiska naturalnego przed zanieczyszczeniami zawartymi w spalinach samochodowych.
Najczęściej stosowanym rozwiązaniem konstrukcyjnym układu wydechowego jest wersja jednoprzewodowa, stosowana w silnikach o rzędowym układzie cylindrów. Rzadziej przy silnikach wielorzędowych wykorzystywana jest konstrukcja wieloprzewodowa.
Pierwszym elementem układu wydechowego pojazdu jest kolektor wydechowy, wykonany najczęściej z żeliwa, w formie cienkościennego odlewu. Ma on kilka otworów wlotowych do połączenia z poszczególnymi cylindrami silnika oraz jeden wspólny otwór wylotowy. Połączony jest z głowicą silnika przy użyciu kołnierza oddzielonego płaską uszczelką, odporną na wysokie temperatury i chemiczne działanie spalin.
Po stronie wylotu spalin kolektor wydechowy połączony jest z pierwszym odcinkiem przewodów. Przewody układu wydechowego wykonywane są w różnych kształtach i mają zróżnicowane przekroje. Najczęściej wytwarzane są jako ciśnieniowe rury stalowe. Połączenia poszczególnych przewodów rurowych mają budowę kielichową i obejmy zaciskowe.
Poszczególne elementy układu wydechowego mocowane są do podwozia za pomocą elastycznych wieszaków gumowych, zapewniających samoczynne tłumienie drgań elementów układu wywołanych jego pracą oraz pracą silnika.
Najistotniejszym elementem układu wydechowego jest tłumik, którego zadaniem jest redukcja hałasu wywołanego falą ciśnienia spalin przemieszczających się po całym układzie od momentu otwarcia zaworu wylotowego do chwili opuszczenia przez spaliny końcówki rury wylotowej. Niepożądane dźwięki w tłumikach można ograniczać poprzez zastosowanie różnych ich konstrukcji.
Pierwszym stosowanym w tym zakresie rozwiązaniem jest konstrukcja absorpcyjna. Tłumik przybiera postać rury perforowanej z otworami, przez które spaliny mają kontakt z przestrzenią wypełnioną watą tłumiącą, pełniącą funkcję tłumika ruchów cząstek. Przemieszczająca się fala spalin o podwyższonym lub obniżonym ciśnieniu we wnętrzu tłumika dąży do przemieszczania cząsteczek spalin wypełniających jego obudowę w taki sposób, aby odpowiednio wzrosło lub zmalało ciśnienie.
Innym rozwiązaniem konstrukcyjnym tłumików jest budowa refleksyjna. Tłumienie hałasu realizowane jest poprzez wielokrotne odbijanie się poruszającej się wraz ze spalinami fali dźwiękowej. Odbicie fali następuje przy zmianie przekroju przewodu odprowadzającego spaliny lub przy pojawiającej się na drodze spalin przeszkodzie. Każdorazowe odbicie spalin wywołuje utratę energii i tłumienie fali.
W celu uzyskania skutecznego tłumienia konieczne jest zastosowanie co najmniej kilku zmian przekroju przewodu odprowadzającego spaliny. W tego typu miejscach fale ulegają odbiciu i przemieszczają się wielokrotnie pomiędzy sąsiednimi miejscami zmiany przekroju, wywołując zjawisko rezonansu. Powstaje ono w sytuacji, gdy częstotliwość tych drgań pokrywa się z częstotliwością drgań własnych spalin w komorze, w której fale się przemieszczają. Wyróżnić można dwa rodzaje tłumików refleksyjnych:
- szeregowe – w których rezonans zachodzi w głównym przewodzie prowadzącym spaliny,
- bocznikowe – w których rezonans występuje w przewodzie odgałęzionym od głównego przewodu odprowadzającego spaliny.

Trzecim rodzajem tłumika jest konstrukcja interferencyjna. W tym rozwiązaniu kierunek rozchodzenia się fali akustycznej jest w początkowej fazie zgodny z przepływem spalin. Zmienia się dopiero przy wylocie spalin do otoczenia. Na relacje pomiędzy falą akustyczną pierwotną i powrotną wpływ ma całkowita długość przewodów.
Żadna ze stosowanych konstrukcji tłumików nie jest doskonała i nie tłumi dźwięków o wszystkich częstotliwościach. Tłumiki absorpcyjne nie do końca radzą sobie z dźwiękami o niskich częstotliwościach, a w przypadku dźwięków o wysokich częstotliwościach skuteczność tłumienia ograniczona jest średnicą tłumika. W przypadku tłumików refleksyjnych i interferencyjnych tłumienie drgań o niskich i wysokich częstotliwościach realizowane jest poprawnie, lecz skuteczne są one wyłącznie dla drgań o określonych zakresach częstotliwości.
Dlatego też w praktyce najskuteczniejsze są konstrukcje tzw. tłumików kombinowanych, w których są stosowane jednocześnie różne metody tłumienia drgań. Najczęściej stosuje się konstrukcję wykorzystującą równocześnie zasadę rozprężania gazów i zmiany kierunku ich przepływu. Spaliny wpływają najpierw do komory o półkolistym lub stożkowym kształcie i ulegają tam rozprężeniu. W kolejnej fazie wymuszona jest wielokrotna zmiana kierunku ich przepływu poprzez zastosowanie blaszanych, naprzemianlegle usytuowanych zastawek. Dalej spaliny trafiają do wąskiej rury wylotowej.
W przypadku pojazdów, w których najistotniejsze jest uzyskanie maksymalnej mocy silnika, stosowane są konstrukcje tłumików o działaniu rozprężająco-rozdzielającym. Wykorzystuje się w nich swobodne rozprężanie spalin w rozszerzającej się dyszy oraz podział gazów spalinowych między kilka równoległych kanałów. W tym rozwiązaniu spaliny po rozprężeniu w komorze wejściowej przemieszczają się przez wiązkę równoległych rurek o małych przekrojach, dzięki czemu dławienie przepływu jest zminimalizowane, a skuteczność tłumienia wystarczająca.
W związku z coraz bardziej zaostrzanymi przepisami w zakresie ochrony środowiska układy wydechowe pojazdów samochodowych muszą spełniać wymagania dotyczące ograniczenia emisji szkodliwych substancji zawartych w spalinach. Część z nich, przechodząc przez układ wydechowy, ulega neutralizacji. Ze względu na zbyt krótki czas przepływu spalin przez układ wydechowy oraz zbyt niską temperaturę, niestety, nie wszystkie szkodliwe substancje ulegają neutralizacji. W celu zwiększenia intensywności zachodzenia tych przemian w układach wydechowych stosuje się katalizatory, w których zachodzą reakcje:
- utleniania – reakcji tlenków węgla i węglowodorów z tlenem, w wyniku której otrzymywany jest dwutlenek węgla i para wodna,
- redukcji – reakcji tlenków węgla z tlenkami azotu, której produktem jest azot i dwutlenek węgla.
Stosowane w układach wydechowych katalizatory dzielą się na:
- utleniające – dwufunkcyjne, przyspieszające reakcje utleniania, obniżające w spalinach zawartość tlenku węgla i węglowodorów,
- redukujące – jednofunkcyjne, przyspieszające redukcję, obniżające w spalinach zawartość tlenków azotu,
- utleniająco-redukujące – trójfunkcyjne, przyspieszające reakcje utleniania i redukowania, obniżające w spalinach zawartość tlenku węgla, węglowodorów i tlenków azotu.

W układach wydechowych silników z zapłonem iskrowym stosowane są obecnie niemal wyłącznie katalizatory trójfunkcyjne, współpracujące z tzw. sondami lambda, reagującymi na obecność tlenu w spalinach. Nośniki katalizatorów, czyli szkielety konstrukcyjne do rozmieszczania warstw substancji katalitycznych mogą być:
- ceramiczne – wykonane z materiału zwanego kardierytem,
- metalowe – wykonane z cienkiej, odpowiednio ukształtowanej stalowej foli żaroodpornej.

Praca katalizatora trójfunkcyjnego rozpoczyna się w chwili, gdy temperatura wnętrza osiągnie poziom 400oC. W celu zapewnienia skutecznej jego pracy przy nieznacznych obciążeniach silnika, zwłaszcza w okresie zimowym, umieszcza się go w pobliżu kolektora wydechowego silnika lub stosuje się dwa katalizatory: rozruchowy i główny. Pierwszy, rozruchowy umieszczony jest w pobliżu kolektora wydechowego i dzięki temu szybko osiąga optymalną temperaturę pracy i oczyszcza spaliny, zanim zacznie pracować katalizator główny.
W silnikach z zapłonem samoczynnym stosowane są wyłącznie katalizatory utleniające, służące zmniejszeniu zawartości tlenku węgla i węglowodorów. Znacznie istotniejszą kwestią w przypadku silników z zapłonem samoczynnym jest ograniczenie ilości sadzy zawartej w spalinach. Obecne układy wydechowe silników z zapłonem samoczynnym wyposażone są w filtry cząstek stałych, w których proces ich oczyszczania realizowany jest samoczynnie podczas eksploatacji pojazdu na skutek wypalania zebranych cząstek stałych.

mgr Andrzej Kowalewski